IT之家 10 月 27 日消息，詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）發(fā)現(xiàn)一顆圍繞脈沖星運(yùn)行的碳大氣行星，挑戰(zhàn)了當(dāng)前關(guān)于行星形成機(jī)制的主流理論。

科學(xué)進(jìn)步往往源于那些無(wú)法被現(xiàn)有認(rèn)知解釋的數(shù)據(jù)。這一觀點(diǎn)最早由托馬斯?庫(kù)恩在其著作《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中提出，他認(rèn)為當(dāng)現(xiàn)有模型無(wú)法解釋新出現(xiàn)的證據(jù)時(shí)，科學(xué)范式就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

基于這一邏輯，科學(xué)家通常樂(lè)于接受出人意料的發(fā)現(xiàn)，尤其是那些迫使我們重新思考宇宙運(yùn)行規(guī)律的觀測(cè)結(jié)果。近日發(fā)表在預(yù)印本平臺(tái) arXiv 上的一項(xiàng)新研究，利用詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可能正代表了這樣一個(gè)顛覆性時(shí)刻：研究人員在分析一顆圍繞毫秒脈沖星運(yùn)行的系外行星時(shí)，發(fā)現(xiàn)其大氣幾乎完全由純碳構(gòu)成。

“黑寡婦”脈沖星系統(tǒng)

據(jù)IT之家了解，這顆脈沖星編號(hào)為 PSR J2322-2650，屬于一類罕見(jiàn)的“黑寡婦”（black widow）系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通過(guò)從鄰近伴星吸積物質(zhì)釋放巨大能量。隨著時(shí)間推移，脈沖星強(qiáng)大的引力和高能輻射會(huì)逐漸剝離伴星的外層，最終留下一個(gè)致密的、體積接近木星大小的殘余天體。

在此案例中，該伴星很可能已經(jīng)演變成了一顆“熱木星”，每 7.8 小時(shí)便繞中子星公轉(zhuǎn)一圈。通常情況下，這一過(guò)程分為兩個(gè)階段：首先，中子星（同時(shí)也是脈沖星）從伴星吸積物質(zhì)；隨后，它以高能伽馬射線猛烈轟擊殘留伴星，蒸發(fā)其大部分質(zhì)量，并最終形成一顆富含氦元素的行星。

碳富集大氣的驚人發(fā)現(xiàn)

這顆伴星行星被命名為 PSR J2322-2650b，其尺寸與密度與其他“黑寡婦”系統(tǒng)中形成的木星級(jí)殘骸一致，因此原本預(yù)期其成分為以氦為主。然而，JWST 獲取的光譜數(shù)據(jù)卻揭示了一個(gè)完全出乎意料的結(jié)果：該行星大氣主要由元素態(tài)碳組成。這些碳以三碳分子（C?）和雙碳分子（C?）等形式存在，使其成為迄今所觀測(cè)到的所有“黑寡婦”伴星中前所未見(jiàn)的獨(dú)特案例。

此類碳分子通常僅存在于彗星尾部，或地球上的火焰之中。它們出現(xiàn)在行星大氣層中，尤其是如此豐富的含量，在科學(xué)界還是首次發(fā)現(xiàn)。

這顆行星大氣層的另一個(gè)有趣之處在于其晝夜兩面的差異。由于這顆行星處于潮汐鎖定狀態(tài)，始終以同一面朝向脈沖星，其晝半球溫度可超過(guò) 2000℃，并展現(xiàn)出清晰的化學(xué)特征信號(hào)。而夜半球的光譜則幾乎毫無(wú)特征，這表明該行星的這一面覆蓋著煙灰或類似的、沒(méi)有任何明顯特征的物質(zhì)。

為進(jìn)一步凸顯該行星大氣的異常性，研究人員計(jì)算了碳與氧（C / O）、碳與氮（C / N）的豐度比值。結(jié)果顯示，C / O 比值超過(guò) 100，C / N 比值更是高達(dá) 10,000 以上。相比之下，地球的 C / O 比僅為 0.01，C / N 比約為 40。顯然，這顆行星上存在大量的碳。

對(duì)行星形成理論的挑戰(zhàn)

這一發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家此前對(duì)行星形成過(guò)程的理解嚴(yán)重不符。在“黑寡婦”演化過(guò)程中，行星的外層物質(zhì)理應(yīng)已被脈沖星吸積或輻射燒蝕殆盡。然而如此豐富的碳大氣仍然存在，構(gòu)成了一個(gè)未解之謎。

盡管存在某些可能產(chǎn)生碳富集環(huán)境的機(jī)制 —— 例如兩顆“碳星”之間的白矮星合并事件 —— 但即便是這類模型，也難以解釋為何該行星的 C / O 比會(huì)達(dá)到如此驚人的高度。

不過(guò)，該行星的其他特性仍符合現(xiàn)有理論預(yù)測(cè)。環(huán)流模型指出，像 PSR J2322-2650b 這樣快速旋轉(zhuǎn)的潮汐鎖定行星，應(yīng)具有強(qiáng)烈的西向風(fēng)，這與大多數(shù)其他熱木星常見(jiàn)的東向風(fēng)截然不同。JWST 的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該行星最熱區(qū)域位于其晝半球中心偏西約 12 度的位置，這是人類首次獲得此類西向風(fēng)現(xiàn)象的直接觀測(cè)證據(jù)。

換言之，PSR J2322-2650b 呈現(xiàn)出深刻的矛盾性：它的大小、形狀和大氣環(huán)流模式均符合“黑寡婦”系統(tǒng)的典型理論框架；但其大氣成分卻徹底背離預(yù)期，堪稱異類。面對(duì)這一矛盾，科學(xué)家必須回到理論原點(diǎn)，嘗試構(gòu)建新的模型來(lái)解釋這一奇特現(xiàn)象。

在他們努力重構(gòu)理論的同時(shí)，詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡將繼續(xù)巡視宇宙深處，搜尋更多類似的異常天體 —— 這些“不合常理”的發(fā)現(xiàn)，或許正是下一次科學(xué)革命的起點(diǎn)。